模拟電(diàn)路的工作依赖连续变化的電(diàn)流和電(diàn)压。数字電(diàn)路的工作依赖在接收端根据预先定义的電(diàn)压電(diàn)平或门限对高電(diàn)平或低電(diàn)平的检测，它相当于判断逻辑状态的“真 ”或“假”。在数字電(diàn)路的高電(diàn)平和低電(diàn)平之间，存在“灰色”區(qū)域，在此區(qū)域数字電(diàn)路有(yǒu)时表现出模拟效应，例如当从低電(diàn)平向高電(diàn)平(状态)跳变时，如果数字信号跳变的速度足够快，则将产生过冲和回铃反射现象。
    对于现代板极设计来说，混合信号PCB的概念比较模糊，这是因為(wèi)即使在纯粹的“数字”器件中，仍然存在模拟電(diàn)路和模拟效应。因此，在设计初期，為(wèi)了可(kě)靠实现严格的时序分(fēn)配，必须对模拟效应进行仿真。实际上，除了通信产品必须具备无故障持续工作数年的可(kě)靠性之外，大量生产的低成本/高性能(néng)消费类产品中特别需要对模拟效应进行仿真。
    现代混合信号PCB设计的另一个难点是不同数字逻辑的器件越来越多(duō)，比如GTL、LVTTL、LVCMOS及LVDS逻辑，每种逻辑電(diàn)路的逻辑门限和電(diàn)压摆幅都不同，但是，这些不同逻辑门限和電(diàn)压摆幅的電(diàn)路必须共同设计在一块PCB上。在此，通过透彻分(fēn)析高密度、高性能(néng)、混合信号PCB的布局和布線(xiàn)设计，你可(kě)以掌握成功策略和技术。

一、混合信号電(diàn)路布線(xiàn)基础
    当数字和模拟電(diàn)路在同一块板卡上共享相同的元件时，電(diàn)路的布局及布線(xiàn)必须讲究方法。图1所示的矩阵对混合信号PCB的设计规划有(yǒu)帮助。只有(yǒu)揭示数字和模拟電(diàn)路的特性，才能(néng)在实际布局和布線(xiàn)中达到要求的PCB设计目标。
图1：模拟和数字電(diàn)路：混合信号设计的两个方面 　
    在混合信号PCB设计中，对電(diàn)源走線(xiàn)有(yǒu)特别的要求并且要求模拟噪声和数字電(diàn)路噪声相互隔离以避免噪声耦合，这样一来布局和布線(xiàn)的复杂性就增加了。对電(diàn)源传输線(xiàn)的特殊需求以及隔离模拟和数字電(diàn)路之间噪声耦合的要求，使混合信号PCB的布局和布線(xiàn)的复杂性进一步增加。
    如果将A/D转换器中模拟放大器的電(diàn)源和A/D转换器的数字電(diàn)源接在一起，则很(hěn)有(yǒu)可(kě)能(néng)造成模拟部分(fēn)和数字部分(fēn)電(diàn)路的相互影响。或许，由于输入/输出连接器位置的缘故，布局方案必须把数字和模拟電(diàn)路的布線(xiàn)混合在一起。
    在布局和布線(xiàn)之前，工程师要弄清楚布局和布線(xiàn)方案的基本弱点。即使存在虚假判断，大部分(fēn)工程师倾向利用(yòng)布局和布線(xiàn)信息来识别潜在的電(diàn)气影响。

二、现代混合信号PCB的布局和布線(xiàn)
    下面将通过OC48接口卡的设计来阐述混合信号PCB 布局和布線(xiàn)的技术。OC48代表光载波标准48，基本上面向2.5Gb串行光通讯，它是现代通讯设备中高容量光通讯标准的一种。OC48接口卡包含若干典型混合信号PCB的布局和布線(xiàn)问题，其布局和布線(xiàn)过程将指明解决混合信号PCB布局方案的顺序和步骤。
图2：OC48接口卡的逻辑 　
    如图2所示，OC48卡包含一个实现光信号和模拟電(diàn)信号双向转换的光收发器。模拟信号输入或输出数字信号处理(lǐ)器，DSP将这些模拟信号转换為(wèi)数字逻辑電(diàn)平，从而可(kě)与微处理(lǐ)器、可(kě)编程门阵列以及在OC48卡上的DSP和微处理(lǐ)器的系统接口電(diàn)路相连接。独立的锁相环、電(diàn)源滤波器和本地参考電(diàn)压源也集成在一起。
    其中，微处理(lǐ)器是一个多(duō)電(diàn)源器件，主電(diàn)源為(wèi)2V，3.3V的I/O信号電(diàn)源由板上其他(tā)数字器件共享。独立数字时钟源為(wèi)OC48 I/O、微处理(lǐ)器和系统I/O提供时钟。
    经过检查不同功能(néng)電(diàn)路块的布局和布線(xiàn)要求，初步建议采用(yòng)12层板，如图3所示。微带和带状線(xiàn)层的配置可(kě)以安全地减少邻近走線(xiàn)层的耦合并改善阻抗控制。第一层和第二层之间设置接地层，将把敏感的模拟参考源、CPU核和PLL滤波器電(diàn)源的布線(xiàn)与在第一层的微处理(lǐ)器和DSP器件相隔离。電(diàn)源和接地层总是成对出现的，与OC48卡上為(wèi)共享3.3V電(diàn)源层所做的一样。这样将降低電(diàn)源和地之间的阻抗，从而减少電(diàn)源信号上的噪声。
    要避免在邻近電(diàn)源层的地方走数字时钟線(xiàn)和高频模拟信号線(xiàn)，否则，電(diàn)源信号的噪声将耦合到敏感的模拟信号之中。
    要根据数字信号布線(xiàn)的需要，仔细考虑利用(yòng)電(diàn)源和模拟接地层的开口(split)，特别是在混合信号器件的输入和输出端。在邻近信号层穿过一开口走線(xiàn)会造成阻抗不连续和不良的传输線(xiàn)回路。这些都会造成信号质量、时序和EMI问题。
    有(yǒu)时增加若干接地层，或在一个器件下面為(wèi)本地電(diàn)源层或接地层使用(yòng)若干外围层，就可(kě)以取消开口并避免出现上述问题，在OC48接口卡上就采用(yòng)了多(duō)个接地层。保持开口层和布線(xiàn)层位置的层叠对称可(kě)以避免卡变形并简化制作过程。由于1盎司覆铜板耐大電(diàn)流的能(néng)力强，3.3V電(diàn)源层和对应的接地层要采用(yòng)1盎司覆铜板，其它层可(kě)以采用(yòng)0.5盎司覆铜板，这样，可(kě)以降低暂态高電(diàn)流或尖峰期间引起的電(diàn)压波动。
    如果你从接地层往上设计一个复杂的系统，应采用(yòng)0.093英寸和0.100英寸厚度的卡以支撑布線(xiàn)层及接地隔离层。卡的厚度还必须根据过孔焊盘和孔的布線(xiàn)特征尺寸调整，以便使钻孔直径与成品卡厚度的宽高比不超过制造商(shāng)提供的金属化孔的宽高比。
    如果要用(yòng)最少的布線(xiàn)层数设计一个低成本、高产量的商(shāng)业产品，则在布局或布線(xiàn)之前，要仔细考虑混合信号PCB上所有(yǒu)特殊電(diàn)源的布線(xiàn)细节。在开始布局和布線(xiàn)之前，要让目标制造商(shāng)复查初步的分(fēn)层方案。基本上要根据成品的厚度、层数、铜的重量、阻抗(带容差)和最小(xiǎo)的过孔焊盘和孔的尺寸来分(fēn)层，制造商(shāng)应该书面提供分(fēn)层建议。
    建议中要包含所有(yǒu)受控阻抗带状線(xiàn)和微带線(xiàn)的配置实例。要将你对阻抗的预测与制造商(shāng)对阻抗的结合起来考虑，然后，利用(yòng)这些阻抗预测可(kě)以验证用(yòng)于开发CAD布線(xiàn)规则的仿真工具中的信号布線(xiàn)特性。

三、OC48卡的布局
    在光收发器和DSP之间的高速模拟信号对外部噪声非常敏感。同样，所有(yǒu)特殊電(diàn)源和参考電(diàn)压電(diàn)路也使该卡的模拟和数字電(diàn)源传输電(diàn)路之间产生大量的耦合。有(yǒu)时，受机壳形状的限制，不得不设计高密度板卡。由于外部光缆接入卡的方位和光收发器部分(fēn)元件尺寸较高，使收发器在卡中的位置很(hěn)大程度上被固定死。系统 I/O连接器位置和信号分(fēn)配也是固定的。这是布局之前必须完成的基础工作(见图4)。
    与大多(duō)数成功的高密度模拟布局和布線(xiàn)方案一样，布局要满足布線(xiàn)的要求，布局和布線(xiàn)的要求必须互相兼顾。对一块混合信号PCB的模拟部分(fēn)和2V工作電(diàn)压的本地CPU内核，不推荐采用(yòng)“先布局后布線(xiàn)”的方法。对OC48卡来说，DSP模拟電(diàn)路部分(fēn)包含有(yǒu)模拟参考電(diàn)压和模拟電(diàn)源旁路電(diàn)容的部分(fēn)应首先互动布線(xiàn)。完成布線(xiàn)后，具有(yǒu)模拟元件和布線(xiàn)的整个DSP要放到距离光收发器足够近的地方，充分(fēn)保证高速模拟差分(fēn)信号到DSP的布線(xiàn)長(cháng)度最短、弯曲和过孔最少。差分(fēn)布局和布線(xiàn)的对称性将减少共模噪声的影响。但是，在布線(xiàn)之前很(hěn)难预测布局的最佳方案(见图5)。
    要向芯片分(fēn)销商(shāng)咨询PCB排板的设计指南。在按照指南设计之前，要与分(fēn)销商(shāng)的应用(yòng)工程师充分(fēn)交流。许多(duō)芯片分(fēn)销商(shāng)对提供高质量的布板建议有(yǒu)严格的时间限制。有(yǒu)时，他(tā)们提供的解决方案对于使用(yòng)该器件的“一级客户”是可(kě)行的。在信号完整性(SI)设计领域，新(xīn)器件的信号完整性设计特别重要。根据分(fēn)销商(shāng)的基本指南并与封装中每条電(diàn)源和接地引脚的特定要求相结合，就可(kě)以开始对集成了DSP和微处理(lǐ)器的OC48卡布局布線(xiàn)。
    高频模拟部分(fēn)的位置和布線(xiàn)确定后，就可(kě)以按照框图中所示的分(fēn)组方法放置其余的数字電(diàn)路。要注意仔细设计下列電(diàn)路：对模拟信号灵敏度高的CPU中PLL電(diàn)源滤波電(diàn)路的位置；本地CPU内核電(diàn)压调整器；用(yòng)于“数字”微处理(lǐ)器的参考電(diàn)压電(diàn)路。
    数字布線(xiàn)的電(diàn)气和制造准则规范此时才可(kě)以恰当地应用(yòng)到设计之中。前述对高速数字总線(xiàn)和时钟信号的信号完整性的设计，揭示出一些对处理(lǐ)器总線(xiàn)、平衡Ts及某些时钟信号布線(xiàn)的时滞匹配的特殊布線(xiàn)拓扑要求。但是你或许不知道，也有(yǒu)人提出更新(xīn)的建议，即增加若干端接電(diàn)阻。
    在解决问题的过程中，布板阶段做一些调整是当然的事。但是，在开始布線(xiàn)之前，很(hěn)重要的一步是按照布局方案验证数字部分(fēn)的时序。此时此刻，对板卡进行完整DFM/DFT布局复查将有(yǒu)助于确保该卡满足客户的需要。

四、OC48卡的数字布線(xiàn)
    对于数字器件電(diàn)源線(xiàn)和混合信号DSP的数字部分(fēn)，数字布線(xiàn)要从SMD出路图(escape patterns)开始。要采用(yòng)装配工艺允许的最短和最宽的印制線(xiàn)。对于高频器件来说，電(diàn)源的印制線(xiàn)相当于小(xiǎo)電(diàn)感，它将恶化電(diàn)源噪声，使模拟和数字電(diàn)路之间产生不期望的耦合。電(diàn)源印制線(xiàn)越長(cháng)，電(diàn)感越大。
    采用(yòng)数字旁路電(diàn)容可(kě)以得到最佳的布局和布線(xiàn)方案。简言之，根据需要微调旁路電(diàn)容的位置，使之安装方便并分(fēn)布在数字部件和混合信号器件数字部分(fēn)的周围。要采用(yòng)同样的“最短和最宽的走線(xiàn)”方法对旁路電(diàn)容出路图进行布線(xiàn)。
    当電(diàn)源分(fēn)支要穿过连续的平面时(如OC48接口卡上的3.3V電(diàn)源层)，则電(diàn)源引脚和旁路電(diàn)容本身不必共享相同的出口图，就可(kě)以得到最低的電(diàn)感和ESR旁路。在OC48接口卡这样的混合信号PCB上，要特别注意電(diàn)源分(fēn)支的布線(xiàn)。记住，要在整个卡上以矩阵排列的形式放置额外的旁路電(diàn)容，即使在无源器件附近也要放置 (见图6)。
    電(diàn)源出路图确定之后，就可(kě)以开始自动布線(xiàn)。OC48卡上的ATE测试触点要在逻辑设计时定义。要确保ATE接触到100%的节点。為(wèi)了以0.070英寸的最小(xiǎo)ATE测试探头实现ATE测试，必须保留引出过孔(breakout via)的位置，以保证電(diàn)源层不会被过孔的反面焊盘(antipads)交叉所隔断。
    如果要采用(yòng)一个電(diàn)源和接地层开口(split)方案，应在平行于开口的邻近布線(xiàn)层上选择偏移层(layer bias)。在邻近层上按该开口區(qū)域的周長(cháng)定义禁止布線(xiàn)區(qū)，防止布線(xiàn)进入。如果布線(xiàn)必须穿过开口區(qū)域到另一层，应确保与布線(xiàn)相邻的另一层為(wèi)连续的接地层。这将减少反射路径。让旁路電(diàn)容跨过开口的電(diàn)源层对一些数字信号的布板有(yǒu)好处，但不推荐在数字和模拟電(diàn)源层之间进行桥接，这是因為(wèi)噪声会通过旁路電(diàn)容互相耦合。
    若干最新(xīn)的自动布線(xiàn)应用(yòng)程序能(néng)够对高密度多(duō)层数字電(diàn)路进行布線(xiàn)。初步布線(xiàn)阶段要在SMD出口中使用(yòng)0.050英寸大尺寸过孔间距和考虑所使用(yòng)的封装类型，后续布線(xiàn)阶段要容许过孔的位置互相靠得比较近，这样所有(yǒu)工具都能(néng)实现最高的布通率和最低的过孔数。由于OC48处理(lǐ)器总線(xiàn)采用(yòng)一种改进的星形拓扑结构，在自动布線(xiàn)时其优先级最高(见图7)。

总结  
OC48卡布板完成之后要进行信号完整性核查和时序仿真。仿真证明布線(xiàn)指导达到预期的要求并改善了第二层总線(xiàn)的时序指标。最后进行设计规则检查、最终制造的复查、光罩和复查并签发给制造者，则布板任務(wù)才正式结束